Gıda Mühendisliği Temel İşlemler III Soğutma SOĞUTMA

Transkript

1 Soğutma 1 SOĞUTMA Soğukta Depolamanın Temel İlkeleri Depolanan gıda ürünlerinin kalitesinin korunmasında sıcaklık önemli bir rol oynar. Sıcaklığın düşürülmesi kalite bozulmasına neden olan tepkime hızlarını yavaşlatır. Genellikle sıcaklığı 10 C düşürmek tepkime hızını yarıya indirir. Hasat edilmiş meyve ve sebzeler uygun koşullarda depolanınca, taze haldeki niteliklerini bir süre için önemli ölçüde korurlar. Uygun koşullar sıcaklık derecesi ve bağıl nemin ayarlanması ile sağlanır. Her meyve ve sebzenin en iyi şekilde depolanabildiği belli bir sıcaklık derecesi ve bağıl nem söz konusudur. Aynı meyve veya sebzenin en uygun depo istekleri, çeşide ve yetiştirildiği ekolojik koşullara bağlı olarak değişebilmektedir. Örneğin Florida greyfurtları en iyi 0 C'de depolanabilirken, Teksas Marsh greyfurtları en iyi 11 C'de depolanabilmektedir. Bu kadar geniş sınırlarda olmasa da bir çok meyve sebze çeşidinde aynı durum kendini göstermektedir. Depolamadaki optimum koşullar ne kadar iyi sağlanırsa sağlansın, her meyve ve sebzenin ancak belli bir süre dayanma olanağı vardır. Bu süre; birkaç günden 5-6 aya kadar değişmektedir. Her ürüne özgü bu belli sürelerin sonunda, depolanan ürün, kalitesini süratle kaybeder ve sonunda tamamen bozulur. Bu nedenle soğukta depolamada, meyve ve sebzelerin dayanma süresi sınırlıdır. Soğukta depolamada en önemli faktör, depo sıcaklık derecesidir. Genel bir ilke olarak, depolamadaki sıcaklık derecesi, depolanan meyve veya sebzenin donma noktasının 1-2 C üstünde bulunur. Soğukta depolamada ürün asla donmaz. Dondurarak muhafaza ile soğukta depolamanın en önemli farklılığı da budur. Dondurarak muhafazada, meyve ve sebzeler belirli işlem aşamalarından sonra dondurulmakta, -18 C veya daha düşük sıcaklıklarda donmuş halde depolanmaktadır. Böyle saklanan ürünün dayanma süresi teorik olarak sınırsızdır, fakat uygulamada sadece aylarca veya en çok birkaç yıl saklanır. Soğukta depolamadaysa meyve ve sebzelerin dokusu zedelenmemekte, ve ürün canlı kalarak yaşamsal faaliyetlerine devam etmektedir. Soğukta Depolamada Fizyolojik İlkeler Meyve ve sebzeler hasattan sonra da canlılıklarını sürdürürler. Her ne kadar, topraktan çeşitli besin maddelerinin alınışı sona erse de, dokuda çeşitli yeni maddelerin oluşması, mevcut maddelerin başka bileşiklere dönüşmesi gibi kimyasal ve biyokimyasal olaylar düzenli bir şekilde devam eder. Meyve ve sebzelerin bu davranışı, onların canlılığı demektir. Canlılığın en önemli belirtisi bunların oksijen alıp karbondioksit vermeleridir. Meyve ve sebzelerdeki bütün bu yaşamsal faaliyetlere metabolizma denir. Metabolizma, ortam koşullarına bağlı olarak hızlı veya daha yavaş olarak devam eder. Bu sırada üründe depo edilmiş çeşitli maddeler harcanır. Nihayet bir süre sonra her canlıda olduğu gibi, doğal yaşlılık sonucu meyve ve sebzenin yapısı bozulur ve ölüm kendini gösterir. Artık kimyasal ve biyokimyasal olaylar kontrol dışında kalarak

2 Soğutma 2 düzensiz bir şekil alır. Bu sırada, canlı meyve veya sebzenin mikroorganizmalara karşı gösterdiği direnç de sona erdiğinden, çeşitli mikroorganizmaların hücumuna uğrayarak, ayrıca mikrobiyolojik bozulma başlar. Soğukta depolamada ilke; meyve ve sebzelerin metabolizma faaliyetlerini durdurmadan en düşük düzeyde gerçekleşmesine olanak sağlayacak gerekli şartların sağlanmasıdır. Metabolizma olayları içinde en önemlileri ise solunum ve terlemedir. Solunum (Respirasyon): Meyve ve sebzelerin canlılığının devamı için hücrede çeşitli tepkimelerin gerçekleşmesi zorunludur. Bu reaksiyonların gerçekleşmesi içinse enerjiye gereksinim vardır. İşte meyve ve sebzeler bu enerjiyi sağlamak üzere solunum yaparlar. Solunum sırasında oksijen alınıp karbondioksit verilir. Ancak meyve ve sebzelerin solunumunda gaz alınıp verilişi hücreler arası boşluklar yardımıyla, gazların difüzyonuyla gerçekleşir. Alınan oksijen özellikle ve öncelikle suda eriyen karbonhidratların yavaş bir şekilde oksidasyonu için harcanır ve bir taraftan ısı serbest kalırken, diğer taraftan CO 2 ve H 2 O oluşur: C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6H 2 O + 6CO 2 + ısı Bu şekilde serbest kalan ısının bir kısmı, hücrede gerçekleşen kimyasal tepkimelerde harcanırken büyük bir kısmı etrafa yayılır ve doğal olarak bizzat ürünü ısıtır. Ürünün ısınması, solunumu daha da hızlandırır. Sıkı bir şekilde istif edilen tarımsal ürünlerde "kızışma" denen bu olay sonucunda ürün tamamen bozularak elden çıkar. Tablo 1. Bazı meyvelerin solunum ısıları Farklı derecelerde solunum ısısı miktarları (kcal/24h) 0 C 2 C 5 C 10 C 15 C 20 C Elma (erken çeşitler) Elma (geç çeşitler) Armut (erken çeşitler) Armut (geç çeşitler) Erik Çilek Kiraz Vişne Şeftali Kayısı Portakal Muz (yeşil) Muz (olgun) Böğürtlen Ahududu Frenk üzümü (siyah) Bektaşi üzümü Fındık-Ceviz Kavun Her meyve ve sebzenin solunum hızı farklıdır. Bu yüzden bazılarında yavaş bir solunum ve buna bağlı olarak az bir ısı yayılması görülürken, bazılarında hızlı bir

3 Soğutma 3 solunum ve aşırı ısı yayılması kendini gösterir. Örneğin; bezelye, fasulye ve çilek gibi ürünler hızlı solunum yaparak fazla ısı yayarlarken, soğan, patates ve üzümlerde solunum hızı yavaştır. Solunum hızı üzerine etki eden en önemli faktör ortam sıcaklığıdır. Nitekim, ortam sıcaklığı arttıkça (T<37 C) kadar solunum hızı yükselir ve buna bağlı olarak ürünün yaydığı ısı artar. Buna karşın ortamın sıcaklığı azaldıkça solunum hızı da azalır. Meyve ve sebzelerin soğukta depolanmasında bu olgudan yararlanılmakta ve en önemli metabolizma olayı olan solunum hızı, depo sıcaklığının düşürülmesiyle sınırlandırılmakta ve kontrol altına alınmaktadır. Tablo 1 de bazı meyvelerin, Tablo 2 'de ise bazı sebzelerin, farklı ortam sıcaklıklarında etrafa yaydıkları solunum ısıları verilmiştir. Soğuk depolamada, bu ısının devamlı olarak depodan uzaklaştırılması zorunlu olduğundan soğutma ekipmanlarının kapasitesinin belirlenmesinde bu değerlerden yararlanılmaktadır. Tablolardan da görüleceği gibi solunum ısısı, "1 ton ürünün 24 saatte serbest bıraktığı ısı miktarı" ölçüsüyle verilmektedir. Tablo 2. Bazı sebzeleri solunum ısıları Farklı derecelerde solunum ısısı miktarları (kcal/24h) 0 C 2 C 5 C 10 C 15 C 20 C Yeşil fasulye Bezelye (kapçıklı) Karnıbahar Havuç Dolma Biber Domates (olgun) Hıyar Kırmızı pancar Marul Kereviz Mantar Kuşkonmaz Ispanak , Lahana Pırasa Yeşil soğan Kuru soğan Patates Ortam sıcaklık derecesi düştükçe solunum hızı da yavaşlamakta, ürün donunca solunum tamamen durmaktadır. Buna göre solunum hızının, söz konusu ürünün donma noktasının hemen üstünde yani, donma noktasına yakın bir derecede en düşük düzeyde olduğu sonucu çıkmaktadır. Ancak, meyve ve sebzelerin soğukta depolanmalarında her üründe solunumun en az düzeyde geliştiği bu kritik dereceye kadar inilemez. Her şeyden önce. bu ürünlerin yaşamlarını sürdürmeleri için belli bir enerjiye gereksinimleri vardır. Fakat daha önemlisi. her ürün belli bir sıcaklık derecesinin altında "soğuk zararlanmasına" uğrar. Başka bir değişle, birçok meyve ve sebze belli derecelerdeki. soğuğa karşı duyarlı olduklarından solunumun minimum düzeyde gerçekleştiği, düşük sıcaklıklara kadar inmek olanaksızdır. Tüm meyve ve

4 Soğutma 4 sebzelerin donma noktalarının gerçekte birbirlerine çok yakın (0;-2 C'ler arası) olmasına karşın, her ürünün farklı derecelerde depolanma zorunluluğu her birinin soğuğa duyarlılığının değişik olmasından kaynaklanmaktadır. Solunum hızı üzerinde sıcaklık derecesi dışında asetilen, etilen, ve bütilen gibi metabolizma ürünleri de etki eder ve solunum hızını arttırır. Bazı meyvelerin depoda süratle olgunlaştırılmasında bu olgudan yararlanılır. Depo atmosferindeki oksijen ve karbondioksit oranları da solunum hızını etkileyen bir diğer faktördür. Depo atmosferindeki oksijen oranı azaltılıp, karbondioksit oranı artırılarak solunum hızı yavaşlatılabilir. Bu olgudan yararlanılarak, kontrollü atmosfer (CA) yöntemiyle depolama tekniği geliştirilmiştir. Terleme (Transpirasyon): Meyve ve sebzelerin canlılığının en önemli belirtilerinden bir diğeri de terlemedir. Terlemeyle ürün depolama sırasında devamlı olarak su kaybeder. Meyve ve sebzeler ortalama olarak % arasında su içerirler. Depolama sırasında bu suyun bir kısmı terleme ile uzaklaşır. Terleme sonucu su kaybı ile meyve ve sebzelerin yapısı görsel kalite kaybı ortaya çıkar ve ürün albenisini kaybeder. Genel bir ilke olarak, meyvelerin yaklaşık % 4-6, sebzelerin % 3-5 oranında su kaybetmeleri onların buruşup pörsümelerine ve ticari değerlerinin kaybolmasına neden olur. Terleme hızı; ortamın sıcaklık derecesine, solunum hızına, meyve ve sebzenin çeşidine ve özellikle dış dokuların morfolojik yapısına bağlı olarak değişir. Bu yüzden, meyve ve sebzelerin soğukta depolanmasında, depoda belli bir bağıl nem oluşturularak, depo sıcaklık derecesi düşürülerek ve depo havasının hareketi belli sınırlarda tutularak terleme olayı kontrol altına alınır ve terleme sonucu oluşan kalite düşmesi önlenir. Buna ek olarak bazı ürünlerin plastik materyallerden yapılmış ambalajlara yerleştirilmesiyle, terleme sınırlandırılır. Terlemeyle kaybedilen suyun tümü, meyve veya sebzenin doğal hücre suyu değildir. Bilindiği gibi solunum sonunda karbonhidratlardan su oluşur ve terlemeyle kaybedilen suyun yaklaşık % 10 kadarı, bu yolla oluşan sudan kaynaklanır. Terleme sırasında su ile birlikte bazı uçucu metabolizma ürünleri de dokudan uzaklaşıp ayrılır. Eğer terleme, depo neminin gereğinden fazla yükseltilmesi yoluyla durdurulursa, bazıları zararlı olan bu metabolizma ürünleri, meyve ve sebzelerin dış doku ve kabuklarında birikerek, kabuk ve ette esmer leke veya bölgeler oluşur. Bu olguya "fizyolojik zararlanmalar" denir ve böylece ürünün kalitesi ve ticari değeri kaybolur. Bu yüzden, depo nemi belli bir düzeyde tutularak terleme uygun bir derecede sınırlandır ancak tamamen durdurulmaz. Depolamada Meydana Gelen Değişmeler Kimyasal Değişmeler: Hasat edilmiş bir ürün canlı olduğu için düzenli bazı kimyasal değişmelere uğrar. Ürünlerin soğukta depolanmasıyla bu değişmeler oldukça yavaşlatılabilirse de tamamen durdurulamaz. Genel bir ilke olarak bu kimyasal değişmeler, bitkilerin gelişen, büyüyen organlarında, depo organlarına göre daha fazla oluşur. Nitekim, örneğin yeşil fasulye, bezelye gibi ürünlerde fazla oranda kimyasal değişmeler belirirken, patates, soğan ve havuç gibi ürünlerde daha sınırlı olmaktadır. Başlıca kimyasal değişmelere örnek olarak solunumda şekerler ve bir

5 Soğutma 5 oranda asitlerin harcanması, büyük moleküllü karbonhidratların örneğin nişastanın kendini oluşturan şekerlere parçalanması, proteinlerin kısmi hidrolizasyonu, glikozitlerin kendini oluşturan unsurlara parçalanması, pektik maddelerin parçalanarak dokunun yumuşaması, renk maddelerinde kayıpların olması: özellikle klorofilin parçalanıp yeşil renkli ürünlerin yeşil-sarı bir renge dönüşmesi verilebilir. Bu değişmeler belli ölçülere ulaşınca, lezzet, renk ve aroma bozularak meyve ve sebzelerde tazeliğini kaybetme olgusu veya başka bir deyişle "bayatlama" görülür. Depolamadaki bu kimyasal değişmeler, atmosferinde düşük oranda oksijen ve/veya yüksek oranda karbondioksit içeren depolarda çok düşük sınırlarda kalmaktadır. işte kontrollü atmosferde depolama yönteminin üstünlüklerinden biri de bundan kaynaklanmaktadır. Depo Zararlanmaları: Her meyve ve sebze belli bir derecedeki soğuğa dayanabilir, bu derecenin altında donma olmasa dahi soğuğun neden olduğu bazı zararlar görülür. Meyve ve sebzelerin "soğuğa duyarlığı" olarak nitelenebilecek bu durum; ürünün tür, çeşit ve yetişme koşullarına bağladır. Birçok meyve ve sebze +2 ile +3 C lerde herhangi bir zararlanmaya uğramazken, örneğin karpuz, kavun ve domatesler +5 C'nin altında canlılıklarını yitirirler. Domatesler 3 gün süreyle +2 C'de tutulduktan sonra, ılık bir yere alınsa bile artık bir daha kızarmazlar. Bu, soğuğun domateslerde yaptığı bir zaralanmanın sonucudur. Bunun gibi bazı patates çeşitleri +4,5 C'den aşağıda depolanınca, yumru içlerinin rengi bozulur, esmerleşir ve patateslerde şeker miktarı artar ve patatesler tatlanır, böylece kalitelerini yitirirler. Meyve ve sebzelerin soğuk depoda zararlanması, onların metabolizma faaliyetlerinin uzun bir süre engellenmesinin bir sonucudur. Soğuk zararlanması sonucunda, meyve eti veya kabuklar yer yer ölür. Ölmüş hücrelerin içindeki maddeler okside olur ve böylece bu bölgeler esmerleşir ve üründen lekeler oluşur. Bu arızalı yerlerde daha sonra, mikrobiyolojik enfeksiyon başlayarak ikinci bir bozulma yani, çürüme başlar. Depo zararlanması sadece soğuktan kaynaklanmaz. Depo neminin gereğinden yüksek olması ve soğutma cihazlarından sızan soğutucu gazlar da zararlanmalara neden olur. Örneğin soğutucuda amonyak kullanılıyorsa, depoya bir amonyak sızıntısı sonrasında depolanan ürünün yüzeyinde önce kahve renk veya yeşilimsi siyah bir renk değişmesi belirir. Daha sonra ise renk, daha fazla değişir ve ürün nihayet yumuşar ve tamamen bozulur. Meyve ve Sebzelerin Soğuk Etkisiyle Canlılığını Yitirmesi: Meyve ve sebzeler sıfır derecenin hemen altında, genellikle -1 C ile -3 C arasında, donmaya başlar. Çeşitli ürünlerin hücre sularının donma başlangıç dereceleri, Tablo 3 de verilmiştir. Saf suyun 0 C'de donmasına karşın, meyve ve sebzelerin 0 C'nin altında donmasının nedeni, bunlardaki suyun içerisinde çeşitli maddelerin erimiş halde bulunmasından kaynaklanmaktadır. Meyve ve sebzeler donunca hücreler ölür. Donma sonucu ölümün nedeni, hücrenin önemli ölçüde su kaybetmesidir. Hücre suyu donunca, saf su buz kristalleri haline dönüşürken, hücre suyundaki erimiş maddeler konsantre bir çözelti oluşturur ve bu yoğun çözelti hücre proteinlerinin denatürasyonuna neden olarak hücre ölümüne yol açar. Daha sonra don çözülse bile

6 Soğutma 6 artık hücre canlı değildir. Ancak her donma olayı mutlaka hücrenin ölümüyle sonuçlanmaz. Kısa süreli bir donmada birçok meyve ve sebzenin ölmediği görülmüştür. Daha yüksek bir derecede uzun süren bir don, daha düşük derecede kısa süreli bir dona göre daha sakıncalı olup, bu durumda hücreler kesinlikle ölmektedir. Bunun gibi, oluşmuş hafif bir donun çok süratli çözülmesi, donun yavaş yavaş çözülmesine göre daha büyük don zararlanmalarına neden olmaktadır. Tablo 3. Bazı meyve sebze hücre sularının donma noktaları Meyveler Donma derecesi Sebzeler Donma derecesi C C Ahududu Bezelye Armut Biber Böğürtlen Domates Çilek Fasulye Elma Havuç Erik Ispanak Frenk Üzümü Karnabahar Hıyar Kereviz Kayısı Kuşkonmaz Kiraz ve Vişne Lahana Limon Mantar Portakal Marul, kıvırcık Şeftali Patates Üzüm Soğan Meyve ve sebzelerin soğukta depolanmaları sırasında, onların hafif de olsa donmalarına kesinlikle olanak verilmemelidir. Soğuk depoda, koşullar ne kadar uygun olsa da, ürünün solunumu sonucunda başta şekerler olmak üzere bazı maddeler harcanır. Bu maddelerin harcanışı belli bir düzeye eriştikten sonra solunum durur ve ölüm belirir. Solunum sırasında hücrelerde düzenli bir şekilde gelişen kimyasal ve biyokimyasal reaksiyonlardaki düzen kaybolur ve bunun sonucu, çeşitli maddeler oluşur ve aroma bozulur, doku yumuşayıp gevşer. Bunun peşinden de mikrobiyolojik bozulma başlar Soğutma işlemi mekanik soğutma sistemi kullanılarak yapılır. Soğutma sistemleri, ısının soğutmanın yapıldığı ortamdan kolayca uzaklaştırılabileceği bir bölgeye aktarımını sağlar. Soğutma işlemi soğutucu gaz kullanılarak yapılır. Soğutucu gazlar su gibi sıvı halden gaz hale geçerler ancak kaynama noktaları çok daha düşüktür. Örneğin gıda işletmelerinde yaygın olarak kullanılan amonyağın kaynama noktası -33 C'dir. Suda olduğu gibi soğutucu gazlarında sıvı halden gaz hale geçmesi için gizli ısı gereklidir ve soğutucu maddenin kaynama noktası basıncın değiştirilmesiyle değişir. Örneğin: Amonyağın kaynama noktasının 0 C ye çıkarılması için basıncın kpa e yükseltilmesi gerekir. Soğutucu maddeler pahalı olduğu için tekrar kullanılması gerekir. Bu nedenle soğutucu sistemin soğutucu maddenin gaz halde

7 Soğutma 7 toplayacak ve sıvı hale dönüştürecek şekilde tasarlanmalıdır. Bu mekanik sıkıştırma sistemleri ile gerçekleştirilir. Soğutucu Maddenin Seçimi Gaz sıkıştırma sistemlerinde kullanılan birçok soğutucu gaz ticari olarak bulunmaktadır. Soğutucu gazın performans özelliklerine bağlı olarak soğutma sistemine uygun soğutucu madde seçilir. Soğutucu madde seçiminde önemli faktörler: Buharlaşma gizli ısısı: Yüksek buharlaşma gizli ısısı tercih edilir. Belli kapasitedeki bir sistem için yüksek buharlaşma gizli ısısı sistemde birim zamanda dolaşan daha az soğutucu madde demektir. Yoğunlaşma basıncı: Yüksek yoğunlaşma basıncı, yoğuşturucu ve borularda dayanıklı madde kullanımı gerektirir. Donma sıcaklığı: Soğutucu maddenin donma noktası buharlaştırıcı sıcaklığından düşük olmalı. Kritik sıcaklık: Soğutucu madde tatmin edici ölçüde yüksek kritik sıcaklığa sahip olmalı. Kritik noktanın üstündeki sıcaklıklarda soğutucu madde buharı sıvı hale getirilemez. Toksik olma: Hava iklimlendirme sistemleri de dahil olmak üzere soğutucu madde toksik özellik göstermemeli. Tutuşma (Alevlenme): Soğutucu gaz yanıcı özellikte olmamalı. Aşındırıcı olma: Soğutucu madde soğutma sisteminde kullanılan maddelere karşı aşındırıcı özellikte olmamalı. Kimyasal kararlılık: Soğutucu madde kimyasal olarak kararlı olmamalı. Sızıntı Tespiti: Sızma olduğunda kolayca tespit edilebilir olmalı. Maliyet: Endüstriyel uygulamalarda maliyeti düşük soğutucu maddeler tercih edilir. Çevresel Etki: Soğutucu madde sızıntı sonucu soğutma sistemlerinden çevreye karıştığında çevreye zararlı olmamalı Kloroflorokarbonlar (CFC) kimyasal olarak çok kararlı olduğu için atmosferin alt tabakalarında bozulmadan uzun süre kalırlar ve atmosferin üst tabakalarına göç ederler. Atmosferin üst tabakalarında Güneşin ultraviyole ışınlarının etkisiyle CFC molekülü parçalanır ve ozonla tepkimeye girer. Ozon tabakasında incelmeye neden olur. CFC lere alternatif olarak hidroflorokarbonlar (HFC) ve hiroklorokaflorokarbonlar (HCFC) kullanılmaktadır. Hidrojen içeren florokarbonlar zayıf hidrojen bağına sahiptir ve kimyasal bağ parçalanmasına daha duyarlıdır.

8 Soğutma 8 Freon 12 Freon 22 dikloro monokloro Metil Amonyak diflorometan diflorometan klorit Kimyasal Özellik CCl 2 F 2 CHClF 2 CH 3 Cl NH 3 Molekül Ağırlığı Kaynama Noktası, C (101.3 kpa basınçta) Buharlaştırıcı Basıncı, kpa (-15 C'de) Yoğuşma basıncı, kpa (30 C) Donma Noktası C (101.3 kpa basınçta) Kritik sıcaklık, o C Kritik basınç, kpa Kompresörden atılma sıcaklığı, C Sıkışma Oranı, 30 C/15 C Buharlaşma gizli ısısı, kj/kg (- 15 C'de) Kararlılık (toksik bozulma ürünleri Evet Evet Evet Hayır Alev Alma Hayır Hayır Evet Evet Koku Eterik Eterik Eterik Keskin Buharlaştırıcı Sıcaklık Aralığı, o C -73 to 10-87to10-62 to to -7 Soğutucu Sistemin Bileşenleri Soğutucu bir sistemin temel bileşenleri yoğuşturucu, kompresör, genleşme vanası ve buharlaştırıcıdır. Soğutucu gaz soğutucu sistemin bileşenleri içinden geçerken sıvı halden gaz hale daha sonra tekrar sıvı hale geçer. D noktasında genleşme vanasına girmeden önce soğutucu madde doygun sıvı haldedir. Yoğuşma sıcaklığında veya yoğuşma sıcaklığının altında. Genleşme vanası düşük basınç bölgesini yüksek basınç bölgesinden ayırır. Genleşme vanasını geçtikten sonra basınç ve sıcaklık düşüşü gerçekleşir. Basınç düşmesiyle soğutucu maddenin bir kısmı gaz haline geçer. Genleşme vanasını terk eden bu sıvı gaz karışımına flaş gaz denir. D Yoğuşturucu C B Genleşme vanası Kompresör E Buharlaştırıcı A Sıvı-gaz karışımı E noktasında buharlaştırıcı halkalarına girer. Buharlaştırıcı halkalarının çevrelediği ortamdan aldığı ısıyla karışım tamamen gaz haline dönüşür. Çevreden aldığı ısıyla gaz aşırı ısınmış hale de geçebilir. Doygun buhar A

9 Soğutma 9 noktasından kompresöre girer. Kompresörde soğutucu madde yüksek basınca sıkıştırılır. Basınç soğutucu maddenin kritik basıncından düşük, çevrenin etkisiyle yoğuşmasına izin verecek kadar yüksek olmalıdır. Soğutucu maddenin basıncı arttıkça sıcaklığı artar. B noktasında soğutucu madde aşırı ısınmış haldedir. Aşırı ısınmış gaz C noktasında yoğuşturucuya girer. Hava veya su soğutmalı yoğuşturu kullanarak soğutucu maddenin ısısı çevreleyen ortama salınır. Soğutucu madde yoğuşarak tekrar sıvı hale geçer. Buharlaştırıcı: Buharlaştırıcıda sıvı soğutucu madde buharlaşarak gaz halde geçer. Hal değişimi için gerekli gizli ısı ortamdan alınır. Kullanımlarına göre buharlaştırıcılar iki sınıfa ayrılır. Doğrudan Genleşen Buharlaştırıcılar: Soğutucu madde buharlaştırıcı halkaları içinde buharlaştırılır ve soğutulan cisim veya sıvı halkalarla doğrudan temas eder. Dolaylı Genleşen Buharlaştırıcılar: Buharlaştırıcı halkalarında buharlaşan soğutucu madde tarafından soğutulan su veya tuzlu su gibi taşıyıcı ortam kullanılır. Doğrudan genleşen buharlaştırıcılar fazladan ekipman kullanımı gerektirir. Sistem içimde farklı noktalarda soğutma gerektiğinde faydalıdır. Donma noktasının altındaki sıcaklıklarda tuzlu su, veya glikol (etilen glikol, propilglikol) kullanılır. Buharlaştırıcılar yapılarına göre 3 sınıfa ayrılabilir: Borulu buharlaştırıcılar: Yapı olarak en basitidir. Buz çözdürülme ve temizlik kolaydır. Kanatlı tüp buharlaştırıcılar: Yüzey alanını arttırmak için kanat kullanılır. Plakalı buharlaştırıcılar: Ürünlerin dolaylı temasını sağlar. Buharlaştırıcılar ayrıca doğrudan genleşen ve yüzen tip olmak üzerede sınıflandırılabilir. Doğrudan Genleşen Buharlaştırıcı: Buharlaştırıcı içinde soğutucu madde tekrar dolaştırılmaz. Sıvı soğutucu devamlı buharlaştırıcı borusunda gaz hale dönüştürülür. Yüzen Tip Buharlaştırıcı: Soğutucu buharlaştırıcı içinde tekrar kullanılır. Kompresör: Soğutucu madde düşük basınç ve sıcaklıkta gaz halde kompresöre girer.,kompresör soğutucu maddenin basınç ve sıcaklığını yükseltir. Kompresörün bu etkisi nedeniyle ısı yoğuşturucuda soğutucu madde tarafından salınır. Sıkıştırma etkisi ile soğutucu maddenin sıcaklığı ortam sıcaklığından yeterince fazla olur. Kompresör: Yaygın olan üç tip kompresör bulunur: Pistonlu: En yaygın olanı. Santrifüj: Yüksek hızda dönen pervane içerir. Döner: Elektrik veya yanma motorlu olarak çalışır. Kompresör kapasitesi kompresör performansını etkileyen önemli bir etkendir. Kompresör kapasitesini etkileyen faktörler: Piston yer değişimi

10 Soğutma 10 Pistonla silindir arasındaki boşluk mesafesi Emme-basma vanalarının büyüklüğü Kompresör kapasitesini etkileyen diğer faktörler çalışma koşullarına bağlıdır. Dakikadaki devir sayısı Soğutucu madde tipi Emme ve basma basınçları Yoğuşturucu:Soğutma sisteminde yoğuşturucunun fonksiyonu ısının soğutucu maddeden başka bir ortama (hava, su) aktarımını sağlamaktır. Isıyı atarak soğutucu madde gaz halden sıvı hale geçer. Genel olarak 3 tip yoğuşturucu kullanılır: Su soğutmalı Hava soğutmalı Buharlaştırıcı(hava ve su birlikte kullanılır) Çift borulu yoğuşturucuda su iç dairesel borudan akarken soğutucu madde dış dairesel borudan akar. Yüksek ısı transferi verimi için ters akış kullanılır. Çift borulu yoğuşturucu yaygın olarak kullanılmakta ancak bakımı zordur. Gövde borulu yoğuşturucuda su boru içinde pompalanırken soğutucu madde gövde içinde akar. Borulara kanatların eklenmesi ısı aktarımını arttırır. Düşük maliyetli ve bakımı kolaydır. Hava soğutmalı yoğuşturucular genellikle 2 ye ayrılır: Tüp ve kanat tipi: geniş ısı aktarım alanı, az yer kaplar Levha tipi: geniş yer kaplar, ucuz, bakımı kolay Yüksek ısı taşınım katsayısı elde etmek için hava soğutmalı yoğuşturucular da fan kullanılabilir. Genleşme Vanası:Temel olarak sıvı soğutucu maddenin buharlaştırıcıya akışını kontrol eden bir ölçüm aletidir.vana elle veya soğutma sistemindeki bir yerde basınç veya sıcaklığa bağlı olarak kontrol edilebilir.soğutma sistemlerinde kullanılan genleşme vanası5 çeşittir. 1. Elle kontrol edilen vana 2. Otomatik alçak taraf yüzen vana 3. Otomatik yüksek taraf yüzen vana 4. Otomatik genleşme vanası 5. Isıya duyarlı genleşme vanası Basınç-Entalpi Çizelgeleri Soğutucu gazın basınç ve entalpisi soğutma sisteminin çeşitli bileşenlerinden geçerken değişir. Buharlaştırıcı ve yoğuşturucuda (kondensör) soğutucu gazın

11 Soğutma 11 entalpisi değişirken basıncı sabit kalır. Kompresörde soğutucu gaz sıkıştırılırken iş kompresör tarafından yapılır, soğutucu gazın entalpisiyle birlikte basıncı da artar. Genleşme vanasında entalpi sabit kalır. Yüksek basınçtaki sıvı soğutucu kontrollü bir hızda soğutucu sistemdeki düşük basınç bölgesine geçer. Soğutucu gazların termodinamik özelliklerini gösteren çizelge veya diyagramlar literatürde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu çizelgeler özellikle soğutma sistemleri tasarımının kavramsal aşamaları sırasında çok faydalıdır. Çizelgelere bakarak tasarlanan işlemin standartlara uyup uymadığı kolayca anlaşılabilir. En çok kullanılan çizelgeler, x ekseninde entalpiye karşılık y ekseninde basıncı gösterenlerdir. Bir diğer gösterim şekli ise x ekseninde entropiye karşılık y ekseninde sıcaklığı gösteren çizelgelerdir. Buharlaşma, sıkıştırma, yoğunlaşma ve genleşmeden oluşan bütün soğutma çevrimi basınç-entalpi çizelgelerinde gösterilebilir. Basınç-entalpi çizelgelerinde basınç (kpa) dikey eksende logaritmik ölçekte gösterilirken yatay eksende entalpi (kj/kg) gösterilir. Sabit Sıcaklık Çizgileri Kritik Nokta Sabit entropi eğrileri Basınç (kpa) Alt Soğumuş Bölge Doygun Sıvı Eğrisi Sabit basınç çizgisi Genleşme işlemi Sabit sıcaklık çizgisi Yoğuşma işlemi Sıkıştırma işlemi Aşırı Isınmış Bölge Kuruluk kesri Buharlaştırma işlemi Sabit sıcaklık eğrileri Entalpi (kj/kg) Doygun sıvı ve doygun buhar eğrilerine bağlı olarak basınç-entalpi çizelgeleri farklı bölgelere ayrılabilir. Çizelgede gösterilen çan şeklindeki eğrinin altında kalan bölge iki faz içerir ve soğutucu gaz sıvı ve gaz karışımı halindedir. Çizelgede uzanan yatay çizgiler sabit basınç çizgileridir. Sıcaklık çizgileri alt soğumuş bölgede dikey, çan şeklindeki bölgede yatay, aşırı ısınmış bölgede alta doğru eğik şekildedir. Doygun sıvı eğrisinin sol tarafında kalan alt soğumuş bölgede denk gelen basınçta soğutucu gaz sıcaklığı yoğuşma sıcaklığının altındadır. Kuru doygun buhar eğrisinin sağ tarafında kalan alanda soğutucu gaz denk gelen basınçta yoğuşma sıcaklığının üstünde aşırı

12 Soğutma 12 ısınmış sıcaklıktadır. Çan şekilli eğrinin altında kalan bölgede kuruluk kesri eğrileri, soğutucu gazın sıvı ve gaz içeriğinin belirlenmesinde faydalıdır. Basit bir buhar-sıkıştırmalı soğutma sistemi düşünelim. Burada soğutucu gaz genleşme vanasından doygun sıvı olarak girerken doygun buhar olarak terk eder. Basınç (kpa) P 2 P 1 D E C A B H 1 H Entalpi (kj/kg) 2 H 3 Kompresöre giren kuru doygun soğutucu gazın konumu A noktasında gösterilmiştir. Bu noktada soğutucu gaz P 1 basıncında ve entalpisi H 2 'dir. Sıkıştırma (kompresyon) sırasında sabit entropide (izoentropik) soğutucu gazın basıncı P 2 'ye yükselir. B noktası aşırı ısınmış buhar bölgesidir. Sıkıştırma sırasında soğutucu gazın entalpisi H 2 'den H 3 'e yükselir. Yoğuşturucuda önce soğutucu gazın önce aşırı ısısı uzaklaştırılır ve B noktasından C noktasına gelinir, daha sonra ise yoğuşma gizli ısısı uzaklaştırılırarak C noktasından D noktasına gelinir. Doygun sıvı D noktasında genleşme vanasına girer. Soğutucu gaz genleşme vanasından geçtiğinde entalpisi H 1 'de sabit kalırken basıncı P 1 'e düşer. E noktasında soğutucu gaz sıvı-buhar karışımı halindedir. Soğutucu gazın sıvı-buhar karışımı buharlaştırıcıdaki ısıyı kullanarak tamamen buhar hale geçer. Buharlaştırıcı kısmı E noktasından A noktasına olan yatay çizgi ile gösterilir. Soğutucu gazın basıncı P 1 'de sabit kalırken entalpisi H 2 'ye yükselir. Ancak gerçek uygulamada yukarıda bahsedilen çevrimden sapmalar görülür. Soğutucu gazın sıvı halde kompresöre girmesini önlemek için soğutucu gaz çıkış noktasına gelmeden önce buharlaştırıcı sarmallarında tamamen doygun buhar haline dönüştürülür. Soğutucu gaz buhara dönüştüğünde eğer hala buharlaştırıcı sarmalları içindeyse sıcaklık farkı nedeniyle çevreden fazladan ısı alır. Böylece soğutucu gaz kompresöre girerken aşırı ısınır. Buharlaştırıcıda basıncı A' noktasında basıncı P 1 'de sabit kalır. İdeal çevrimden bir başka sapma alt soğumuş bölgede görülür. Soğutucu gaz yoğuşturucu ve genleşme vanası arasındaki bölgede alt soğumuş halde olabilir. Alt soğumuş soğutucu gazın basıncı yoğuşturucuda olduğu gibi P 2 basıncında sabit kalır. Alt soğumaya neden olan bir başka sebep soğutucu gazın ısısını kaybederek

13 Soğutma 13 tamamen doygun sıvıya dönüşmesine rağmen hala yoğuşturucu sarmallarında kalmasıdır. Basınç-entalpi çizelgesinde alt soğumuş soğutucu gaz D' ile gösterilmiştir. Basınç (kpa) P 2 P 1 D' E C A' B H 1 H Entalpi (kj/kg) 2 H 3 Daha önce belirtildiği gibi sıcaklık-entropi çizelgeleri de soğutma çevrimini göstermek için kullanılabilir. Şekilde sıcaklık-entropi koordinatlarında soğutma çevrimi çizilmiştir. A'dan B'ye (sıkıştırma) ve D'den E 'ye (genleşme) olan işlemler sabit entropide (izoentropik) gerçekleşir ve dikey çizgilerle gösterilmiştir. C'den D'ye ve E'den A'ya olan işlemler sabit sıcaklıkta (İzotermal) gerçekleşen işlemlerdir ve yatay çizgilerle gösterilmiştir. Kompresörü terk eden aşırı ısınmış buharın sıcaklığı B ile gösterilmiştir. Sıcaklık ( C) D Yoğuşma işlemi Genleşme işlemi C B Sıkıştırma işlemi E Buharlaştırma işlemi A Entropi (kj/[kgk])

14 Soğutma 14 Basınç-Entalpi Tabloları Soğutucu gazın entalpi ve diğer termodinamik özellikleri her bir soğutucu gaz için hazırlanan tablolardan çok daha doğru olarak elde edilebilir. Tabloları kullanmadan önce bir soğutma çevrimi için basınç-entalpi diyagramını çizmek faydalıdır. Örneğin soğutucu gazın amonyak olduğu bir soğutma çevriminde buharlaştırıcı sıcaklığının - 20 C ve yoğuşturucu sıcaklığının 30 C olduğunu varsayalım. A noktası doygun buhar durumunu gösterdiğine göre tablodan amonyak için -20 C'deki doygun gaz entalpisi okunur. Buna göre H kj/kg'dir. D noktasında soğutucu gaz yoğuşturucu sıcaklığında doygun sıvı halindedir. Tablodan 30 C'deki amonyağın doygun sıvı halindeki entalpisi (H 1 ) kj/kg'dir. Her ne kadar farklı durumlar için aşırı ısınmış soğutucu gazların entalpi değerleri için tablolar var ise de birden fazla interpolasyon yapmak gerektiği için bunları kullanmak oldukça zordur. Bu yüzden H 3 'ü bulmak için aşırı ısınmış bölgede genişletilmiş çizelgeleri kullanmak daha uygundur. Çizelgeden elde edilen H 3 değeri 1710 kj/kg'dir.

15 Dondurma 15 GIDALARIN DONDURULMASI Su ve Buzun Bazı Fiziksel Özellikleri Gıdaların hızla bozulmasının en önemli nedenlerinden biri yüksek su içeriğidir. Mikroorganizmalar, gıdaların çoğunda yeterli miktarda "kullanılabilir nitelikte" suyu kolaylıkla bulabilmektedirler. Mikroorganizmalar donmuş sudan yararlanamazlar. Gıdaların dondurulması su aktivitesini azaltır ve kullanılabilir su miktarını düşürür. Bu açıdan bakılınca dondurma ile adeta bir kurutma etkisi sağlanmaktadır. -1 C'deki etin su aktivitesi iken, donma sonunda -30 C'ye soğutulması halinde bu değer 0.746'ya düşmektedir. Soğuğun ikinci ve temel etkisi, belli bir sıcaklığın altında mikrobiyolojik ve biyokimyasal tepkimeleri sınırlamasına dayanır. Gerek gıda zehirlenmesine neden olan mikroorganizmaların, gerekse psikrofilik (soğuk seven) mikroorganizmaların faaliyetleri -10 C nin altında durmaktadır. Dolayısıyla dondurarak muhafazada mikrobiyolojik bozulmanın tam olarak önlenmesi açısından uygulanabilecek en yüksek sıcaklık -10ºC'dir. Bazı mikroorganizmaların -18 C'nin altında dahi çok yavaş bir faaliyet gösterebilmeleri, dondurarak muhafazada benimsenen bu temel ilkenin değişmesine bir neden oluşturamaz. Çünkü, bulaşması dahi küçük bir olasılık olan bu tip mikroorganizmaların dondurulmuş ürünlerde -18 C ile -20 C'lerde belli bir bozulmaya neden olmaları hemen hemen imkansızdır. Sıcaklık C 37 Gıda Zehirlenmesi Yapan Mikroorganizmalar Soğuk Seven Mikroorganizmalar Sıcaklık C Çoğalma ve Gelişme Hızlı Çoğalma ve Gelişme Hızlı Bazı Tipler Yavaş Çoğalır Herhangi Bir Gelişme ve Bazı Tipler Yavaş Çoğalma Yok Çoğalır (Bozulma) Emniyet Sınırı Herhangi Bir Gelişme ve Çoğalma Yok Şekil 1. Mikroorganizma gelişme ve çoğalmasının sıcaklıkla ilişkisi Gıdaların dondurulmalarında, gıdada bulunan su sıvı fazdan, katı faza dönüşür. Yani donan sadece sudur ve bütün olay bu faz değişimi çevresinde gelişir. Su ve buzun

16 Dondurma 16 fiziksel nitelikleri çok farklı olduğundan, donma sonucunda gıdanın fizik özellikleri de değişmektedir. Yoğunluk: Suyun 4 C'de yoğunluğu 1000 kg/m 3 'tür. Suyun sıcaklığı yükseldikçe bu değer azalır. 100 C'de suyun yoğunluğu kg/m 3, 0 C'deki suyun yoğunluğu kg/m 3 olduğu halde, faz değiştirip donunca yoğunluğu düşer. 0 C'deki buzun yoğunluğu kg/m 3 'tür. 0 C'deki suyun, 0 C'deki buza dönüşmesiyle hacmi yaklaşık olarak % 8.3 oranında artmaktadır. Bu durum suya özgü bir davranıştır. Buzun sıcaklığı 0 C'nin altına doğru düşerken, diğer maddelerde olduğu gibi hacmi azalır ve buna bağlı olarak yoğunluğu bir miktar yükselir. Örneğin suyun -45 C'deki yoğunluğu kg/m 3 düzeyindedir. Isı Kapasitesi: Suyun 0 C'de ısı kapasitesi kj/(kg K) ve buna karşın 100 C ise kj/(kg K)'dır. Görüldüğü gibi suyun ısı kapasitesi C arasında hemen hemen hiç değişmemekte, sabit kalmaktadır. Ancak su donup katı faza dönüşünce ısı kapasitesi yarıya düşmektedir. 0 C'deki buzun ısı kapasitesi kj/(kg K) düzeyindedir. Buzun sıcaklığı düştükçe ısı kapasitesi düşer, örneğin -45 C'de kj/(kg K) düzeyine inmektedir. Isıl iletkenlik katsayısı: Suyun 0 C'de ısıl iletkenlik katsayısı W/(m K)'dir. Sıcaklık yükseldikçe ısıl iletkenlik katsayısı da yükselir. 100 C ısı kapasitesi düzeyine çıkmaktadır. Ancak su katı faza dönüşünce, ısıl iletkenlik sayısı birdenbire yükselir. Buzun 0 C 'de ısıl iletkenlik katsayısı W/(m K) düzeyinedir. Buna göre buz, ısıyı suya kıyasla 4 kat daha iyi iletmektedir. Buzun sıcaklığı düştükçe ısıl iletkenliği daha da artar (-45 C 'de bu değer 2.72 W/(m K) düzeyinedir). Yoğunluk Isı Kapasitesi Isıl İletkenlik Katsayısı 100 C kg/m C kj/(kgk) 100 C W/(mK) 4 C 0 C 1000 kg/m kg/m 3 (su) kg/m3 (buz) 0 C kj/(kgk) su kj/(kgk) buz 0 C W/(mK) su W/(mK) buz 45 C kg/m 3 45 C kj/(kgk) 45 C 2.72 kj/(kgk) Şekil 2. Suyun fiziksel özelliklerinin sıcaklıkla değişimi Isıl yayınım katsayısı: Bir maddenin ısıl yayınım katsayısı onun ısıl iletkenlik katsayısının, özgül ısısı ve yoğunluğuna oranıdır. k α = ρ c p Isı yayılımı'nın birimi ise

17 Dondurma 17 m 2 α s Isıl yayılım; ısıl iletkenlik, ısı kapasitesi ve yoğunluk değerleri yerine yazılarak hesaplanabilir. Isıl yayınım katsayısı yükseldikçe, ısı yayınımı yani; sıcaklığın zamana göre değişimi artar. Metallerin ısıl yayınım katsayıları, sıvı ve gazların ısıl yayınım katsayılarına göre çok yüksektir. Bu nedenle metaller hızla ısınır ve hızla soğurlar. Suyun 0 C'de ısıl yayınım katsayısı 1.31 x10-7 m 2 /s, buzunki ise 11.70x10-7 m 2 /s'dir. Bu değerlere göre buz, suya nazaran yaklaşık 9 kat fazla bir ısıl yayınım katsayısına sahiptir. Bu, buzun suya göre neden hızla ısınıp-soğuyabildiğinin nedenidir. Gıdaların donma ve çözülme hızlarında farklılığın nedeni de buzun ve suyun ısıl yayınım katsayılarının değişik olmasına bağlıdır. Entalpi değişimi: Su, basınca bağlı olmaksızın 0 C'de donar. Suyun "donma gizli ısısı" kj/kg'dir. Buna göre 0 C'deki su, 0 C'de buz haline dönerken kj/kg ısı serbest kalır. Böylece, 0 C'deki suyun entalpisi 0 C 'deki buza göre kj/kg daha yüksek olduğu görülmektedir. Buz erirken aynı enerjiyi, yani "erime gizli ısısını" kazanması gerekmektedir. Suyun faz grafiği: Suyun, sıvı, buhar ve katı (buz) gibi 3 fazının sıcaklık ve basınç ilişkisi bir grafiğe işlenirse; suyun "faz grafiği" elde edilir. Suyun üç fazı arasındaki ilişki ve denge koşulları, sadece donma açısından değil birçok gıda işleme yöntemlerinin daha açık kavranmasını sağlayan önemli veriler taşır. Bu bakımdan suyun faz grafiğinin daha yakından incelenmesi yararlıdır. Şekil'de gösterilen grafikteki, OA eğrisi "kaynama eğrisi", OC eğrisi "erime eğrisi", OB eğrisi ise "sublimasyon eğrisidir" dir. OD eğrisi suyun aşırı soğumasını simgeler. Her eğri, birbirine komşu iki fazın denge koşullarını gösterir. Örneğin OA eğrisi buhar ve sıvı fazı ayırdığından, bu eğri boyunca her iki faz denge halindedir. Örneğin bu eğri üzerindeki E noktasında sıvı ve buhar fazları belli bir denge halinde bulunur. E noktasındaki basınç-sıcaklık koşullarında su, hem sıvı ve hem de buhar fazında bulunur. Bu koşullar sabit kaldığı sürece ne kadar su buhar haline dönüşürse aynı miktarda buhar da faza dönüşür ve denge değişmez. Buna karşın E noktasının simgelediği basınç düşürülür ve örneğin E 1 noktasına erişilirse (sıcaklık sabit) veya E noktasının simgelediği sıcaklık yükseltilir; örneğin E 2 noktasına erişilirse (basınç sabit) ortamdaki suyun tümü buhar haline dönüşür. Aynı şekilde E noktasındaki basınç yükseltilir veya sıcaklık düşürülürse ortamdaki buharın tümü sıvı faza dönüşür. Benzer irdeleme her üç eğri boyunca yapılabilir.

18 Dondurma 18 Basınç (kpa) Katı Üçlü nokta D B C A Sıvı Buhar E E 1 O E Sıcaklık ( C) Şekil 3. Suyun faz diyagramı Erime (veya donma) eğrisi denen OC eğrisi incelenirse, basınç ne olursa olsun suyun nerdeyse daima 0 C'de donduğu görülür. Bununla birlikte donma eğrisinin hafif sola doğru yatık oluşu, basıncın yükselmesiyle suyun donma derecesinin 0 C'nin biraz altına düştüğünü göstermektedir. OD eğrisi, aşırı soğumuş suyun buhar basıncını göstermektedir. Bu eğriden anlaşıldığı gibi, aşırı soğutulmuş suyun buhar basıncı, aynı derecedeki buzun buhar basıncından daha yüksektir. Diğer taraftan sublimasyon eğrisi (OB), buz fazı ile buhar fazının denge koşullarını simgeler. Bu eğri belli koşullar altında, buzun sıvı faza geçmeden de doğrudan buhar fazına geçebileceğini göstermektedir. Bu olguya yani katı fazdan doğrudan gaz fazına geçme olayına "sublimasyon" denir. Gıdaları "dondurarak kurutma" (freeze drying) yönteminin ilkesi bu olaya dayanır. Faz grafiğinde görüldüğü gibi, sublimasyonun gerçekleştiği en yüksek basınç ve en yüksek sıcaklık sıra ile; 0.61 kpa ve 0.01 C'dir. Faz grafiğindeki her eğri "O" noktasında birleşmektedir. Suyun her üç fazının denge halinde bulunduğu bu noktaya "Üçlü nokta" denir. Üçlü noktadaki koşullar, basınç 0.61 kpa ve 0.01 C'dir. DONMA OLAYI Sıvı bir maddeden enerji uzaklaştırılması sonucunda, sıvı fazın katı faza dönüşmesi olayına donma denir. Enerjinin uzaklaştırılmasıyla, sıvı fazdaki moleküllerin serbest hareketleri gittikçe yavaşlar ve moleküller kümeleşerek kendilerine özgü düzenli bir yapıya dönüşme eğilimine girerler. Bu, faz değiştirmenin başlangıcına ait ilk işaretlerdir. Saf bir maddenin faz değiştirmesi sadece kendine özgü bir sıcaklıkta gerçekleşebilmektedir. Su için bu sıcaklık, 0 C'dir. Donma üç aşamada gerçekleşir

19 Dondurma Donma öncesi soğuma: Gıdanın bulunduğu sıcaklıktan, donma başlangıç derecesine kadar yani suyun kristalleşmeye başladığı ana kadar geçen 2. Donma aşaması: Donma başlangıç sıcaklığından son ötektik sıcaklığa ulaşılana kadar geçen süre 3. Son sıcaklık: Donmanın sona erdiği sıcaklıktan 'dengeleme sıcaklığına' kadar soğuma Ancak bir sıvının kendi donma sıcaklığına erişmesi faz değişiminin başlamasını sağlamaz. Faz değişiminin başlaması için ortamda "çekirdek" denen bir yapının bulunması gerekir. Eğer ortamda çekirdek bulunmuyorsa, sıvı önce kendine özgü ve donma noktası denen, kritik sıcaklığın altına kadar zorunlu olarak soğur. Donma başlamadan, donma noktası altına doğru soğumaya "aşırı soğuma" denir. Faz değişiminin gerçekleşmesi için, aşırı soğuma dışında ikinci bir koşul daha vardır. Buna göre ortamda ayrıca moleküllerin katı faza dönüşmesine öncülük edebilecek bir yapının bulunması gerekir. Bu, ya sıvının kendi moleküllerinin düzenli bir şekilde kendiliğinden kümeleşerek oluşturduğu kristal yapıdan kaynaklanan küçük bir katı parçacık (çekirdek) olabilir, ya da o sıvının kristal yapısı niteliklerine benzer yabancı bir materyal olabilir. Donan sıvının bizzat kendisinin oluşturduğu çekirdeklenmeye "homojen çekirdeklenme" denir. Homojen çekirdeklenme ancak yabancı bir madde içermeyen sıvılarda, o sıvının donma derecesinin altında soğumasıyla gerçekleşir. Diğer taraftan ortamdaki yabancı bir parçacığın önayak olduğu, yani katalize ettiği çekirdeklenmeye ise "heterojen çekirdeklenme" denir. Su Sıcaklık ( C) 0 Soğutma Gizli ısının uzaklaştırılması Aşırı Soğuma Bölgesi Soğutma Donma Öncesi Donma Bölgesi Donma Sonrası Isı Uzaklaştırılması (kj/kg) Şekil 4. Suyun donma diyagramı Homojen çekirdeklenmede oluşan kristal çekirdeği, eğer kritik bir boyuttan daha büyükse, sıvıdaki diğer moleküller bununla kendiliğinden birleşerek çekirdeklerin irileşmesini yani kristallerin büyümesini sağlarlar. Kritik çekirdek boyutu sistem sıcaklığının bir fonksiyonudur. Yüksek ısı aktarım hızı ile ortamdan ısının

20 Dondurma 20 uzaklaştırılması çok sayıda çekirdeğin oluşumasına neden olur. Bu yüzden hızlı dondurma çok fazla sayıda küçük buz kristali oluşturur. Tablo 1. Seçilmiş bazı gıdaların su içeriği ve donma noktaları Gıda Su içeriği (%) Donma noktası ( C) Sebzeler ile -2.8 arası Meyveler ile -2.7 arası Et ile -2.2 arası Balık ile -2.0 arası Süt Yumurta Suyun, sıvı fazdan katı faza geçmesiyle gerçekleşen donma olayı sonucunda serbest kalan enerji (donma gizli ısısı), donmakta olan kitlenin ısınmasına neden olur. Ancak serbest kalan bu enerji soğutucu ortam tarafından uzaklaştırıldığı sürece donan kitlenin sıcaklığı tüm materyal donana kadar donma noktasında, yani 0 C'de, sabit kalır. Yukarıda değinildiği gibi donma sırasında sıvı ve katı karışımından oluşan bu sistemden enerji çekildikçe, sıvı fazdaki moleküller kristal yüzeyleriyle kendiliğinden birleşerek kristalizasyon olayı sabit sıcaklıkta devam eder. Bu olay suda, uzun iğne şeklindeki kristallerin, sıvının içerisine doğru uzayarak gelişmesi şeklinde gerçekleşir. Donma sırasında oluşan kristallerin boyutu donma hızına bağlıdır. Sıvıdan ısının çok hızlı uzaklaştırılması halinde, sıcaklık donma noktasının oldukça altına düşerken, aynı anda kendiliğinden birçok çekirdek oluşabilmektedir. Fakat oluşan bu çekirdeklerin her biri, ancak küçük boyutlu bir kristal oluşturacak kadar büyüyebilmektedir. 20 Sıcaklık ( C) 0 Yavaş Dondurma Kritik bölge Hızlı Dondurma Süre (h) Şekil 5. Kritik bölge boyunca gıdadaki sıcaklık değişimi